Cuando dos hojas de grafeno se apilan una encima de la otra en el ángulo correcto, la estructura en capas se transforma en un superconductor no convencional, permitiendo que las corrientes eléctricas pasen sin resistencia ni desperdicio de energía.

Esta transformación de "ángulo mágico" en el grafeno bicapa se observó por primera vez en 2018 en el grupo de Pablo Jarillo-Herrero, el profesor de física Cecil e Ida Green en el MIT. Desde entonces, Los científicos han buscado otros materiales que puedan transformarse de manera similar en superconductividad, en el campo emergente de "twistronics". En la mayor parte, ningún otro material retorcido ha exhibido superconductividad que no sea el grafeno bicapa retorcido original, hasta ahora.

En un papel que aparece en Naturaleza , Jarillo-Herrero y su grupo informan haber observado superconductividad en un sándwich de tres láminas de grafeno, cuya capa intermedia se retuerce en un nuevo ángulo con respecto a las capas externas. Esta nueva configuración de tres capas exhibe una superconductividad que es más robusta que su contraparte de dos capas.

Los investigadores también pueden ajustar la superconductividad de la estructura aplicando y variando la fuerza de un campo eléctrico externo. Al ajustar la estructura de tres capas, los investigadores pudieron producir una superconductividad de acoplamiento ultra fuerte, un tipo exótico de comportamiento eléctrico que rara vez se ha visto en cualquier otro material.

"No estaba claro si el grafeno bicapa de ángulo mágico era algo excepcional, pero ahora sabemos que no está solo; tiene un primo en el estuche de tres capas, ", Dice Jarillo-Herrero." El descubrimiento de este superconductor hipertonable extiende el campo twistronics en direcciones completamente nuevas, con aplicaciones potenciales en tecnologías de detección e información cuántica ".

Sus coautores son el autor principal Jeong Min Park y Yuan Cao en MIT, y Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón.

Una nueva superfamilia

Poco después de que Jarillo-Herrero y sus colegas descubrieron que se podía generar superconductividad en el grafeno bicapa retorcido, Los teóricos propusieron que el mismo fenómeno podría verse en tres o más capas de grafeno.

Una hoja de grafeno es una capa de grafito del tamaño de un átomo, hecho completamente de átomos de carbono dispuestos en una celosía de panal, como el mas delgado, alambre de gallinero más resistente. Los teóricos propusieron que si se apilaran tres hojas de grafeno como un sándwich, con la capa intermedia girada 1,56 grados con respecto a las capas exteriores, la configuración retorcida crearía una especie de simetría que alentaría a los electrones del material a emparejarse y fluir sin resistencia, el sello distintivo de la superconductividad.

"Pensamos, Por qué no, intentémoslo y probemos esta idea, "Dice Jarillo-Herrero.

Park y Cao diseñaron estructuras de grafeno de tres capas cortando cuidadosamente una sola hoja de grafeno en tres secciones y apilando cada sección una encima de la otra en los ángulos precisos predichos por los teóricos.

Hicieron varias estructuras de tres capas, cada uno mide unos pocos micrómetros de ancho (aproximadamente 1/100 del diámetro de un cabello humano), y tres átomos de altura.

"Nuestra estructura es un nanosándwich, "Dice Jarillo-Herrero.

Luego, el equipo colocó electrodos en cada extremo de las estructuras, y pasó una corriente eléctrica mientras se mide la cantidad de energía perdida o disipada en el material.

"No vimos ninguna energía disipada, lo que significa que era un superconductor, ", Dice Jarillo-Herrero." Tenemos que dar crédito a los teóricos, ellos acertaron en el ángulo ".

Agrega que la causa exacta de la superconductividad de la estructura, ya sea debido a su simetría, como propusieron los teóricos, o no, queda por ver, and is something that the researchers plan to test in future experiments.

"For the moment we have a correlation, not a causation, " he says. "Now at least we have a path to possibly explore a large family of new superconductors based on this symmetry idea."

"The biggest bang"

In exploring their new trilayer structure, the team found they could control its superconductivity in two ways. With their previous bilayer design, the researchers could tune its superconductivity by applying an external gate voltage to change the number of electrons flowing through the material. As they dialed the gate voltage up and down, they measured the critical temperature at which the material stopped dissipating energy and became superconductive. De este modo, the team was able to tune bilayer graphene's superconductivity on and off, similar to a transistor.

The team used the same method to tune trilayer graphene. They also discovered a second way to control the material's superconductivity that has not been possible in bilayer graphene and other twisted structures. By using an additional electrode, the researchers could apply an electric field to change the distribution of electrons between the structure's three layers, without changing the structure's overall electron density.

"These two independent knobs now give us a lot of information about the conditions where superconductivity appears, which can provide insight into the key physics critical to the formation of such an unusual superconducting state, " Park says.

Using both methods to tune the trilayer structure, the team observed superconductivity under a range of conditions, including at a relatively high critical temperature of 3 kelvins, even when the material had a low density of electrons. En comparación, aluminio, which is being explored as a superconductor for quantum computing, has a much higher density of electrons and only becomes superconductive at about 1 kelvin.

"We found magic-angle trilayer graphene can be the strongest coupled superconductor, meaning it superconducts at a relatively high temperature, given how few electrons it can have, " Jarillo-Herrero says. "It gives the biggest bang for your buck."

The researchers plan to fabricate twisted graphene structures with more than three layers to see whether such configurations, with higher electron densities, can exhibit superconductivity at higher temperatures, even approaching room temperature.

"If we could make these structures as they are now, at industrial scale, we could make superconducting bits for quantum computation, or cryogenic superconductive electronics, fotodetectores, etc. We haven't figured out how to make billions of these at a time, " Jarillo-Herrrero says.

"Our main goal is to figure out the fundamental nature of what underlies strongly coupled superconductivity, " Park says. "Trilayer graphene is not only the strongest-coupled superconductor ever found, but also the most tunable. With that tunability we can really explore superconductivity, everywhere in the phase space."